中厚板控制冷却的板形控制与实践

中厚板控制冷却的板形控制与实践

欧金雄

南京钢铁股份有限公司江苏南京210048

摘要:对控冷过程中,中厚板控制冷却原理分析,研究横向、纵向的板形控制方法,并阐述某轧板厂实际运用板形控制技术的情况。

关键词:中厚板;控制冷却;板形

控轧控冷是现代轧钢过程中的两个重要环节,能有效改善钢板的强度和塑性等。本文采用控制冷却技术的主要目的是改善钢板组织,提高钢板的力学性能;并要保证在同一块钢板上力学性能均匀,生产的同一批、同钢种的钢板力学性能波动小;同时,还要在控冷过程中保持钢板的板形平直。为了满足控制冷却工艺的要求,需要在控制冷却机械设备设计、自动控制中考虑以下几个方面。组织和性能控制。保证冷却装置能提供足够的冷却能力和终冷温度的精确控制;平直度控制。在冷却过程中做到钢板横向温度均匀、厚度方向温度对称,使钢板冷却之后的板形平直;性能均匀性控制。做到钢板纵横向温度均匀、终冷温度控制精确,使钢板性能均匀一致。

一、控制冷却原理

控制冷却的重要目的之一是在不降低钢板的韧性的前提下通过控制冷却能够进一步提高钢板的强度。它能防止奥氏体晶粒长大,阻止减少网状碳化物的析出量和降低级别,保持其碳化物固溶状态,达到固溶强化的目的,同时减少珠光体球团尺寸,改善珠光体形貌和片层间距,从而改善钢板的性能。以上控冷技术运用到中厚板厂并配合控制轧制进行。根据轧制实际情况,采取轧制过程中和轧后

控温的方式,实现控冷工艺。在此主要研究轧后快速冷却,通过控制冷却温度和冷却速度,以及整个板面冷却的均匀性,保证钢板的性能和板形。

二、控制冷却中厚板板型控制方法

1.横向温度均匀性控制。控制钢板横向温度均匀性,目前采用最多的方法是:

采用冷却器边部遮蔽技术;设计钢板上下表面冷却器合理的流量分布曲线。边部遮蔽技术是在两侧设置喷水量可随板宽调节的边部遮蔽挡板(EdgeMasking),使水流不直接冲击两侧,实现边部均匀冷却的技术。采用边部遮蔽技术,减轻宽度方向滞留水对钢板传热的影响,使钢板上表面的横向传热均匀一致,克服钢板上表面的中部滞留水流造成的中间传热慢、边部传热快,传热系数差距大的不均匀冷却问题。对不同厚度的钢板,边部遮蔽宽度是不同的,图1是管流冷却条件下,12～30mm厚钢板边部遮蔽宽度与横向温度差(均匀性)之间的关系。可以看出对应此厚度范围和宽度范围,采用70～100mm边部遮蔽横向温差较小。

冷却器流量分布曲线的设计与边部遮蔽装置目的一样,为了减少钢板宽度上的温差,克服滞留水横向流动的负面影响,采用钢板宽度方向两侧比中部水流量略小的控制方式(拱形控制CrownControl),在两侧设置喷水量可随板宽调节的边部遮蔽挡板,使水流不直接冲击两侧。在采用拱形水流分布后,钢板宽度方向冷却的换热系数趋于一致,有利于钢板横向冷却的均匀。但是,钢板的下表面在冷却过程中,冷却水与钢板短时间接触后下落,没有滞留水现象。因此,钢板下表面冷却水流量必须采用均衡的流量分布。为保证均匀的流量分布,必须在下冷却器中设计必要的装置。实验表明,在下表面水管增加阻尼装置,可以有效增加横向水流的喷出均匀性。无阻尼时,不同供水方式下,下冷却器水流速的横向分布,无法保证横向喷水均匀,增加阻尼后,冷却的横向流速均匀性明显改善。实践证明,在喷水管两端进水口增加多孔流量控制板对均衡水量比较有效。

2.厚向温度均匀性控制。厚度方向温度的不均匀性在钢板板型缺陷上表现为两个方面:上下表面冷却不对称,两表面存在温度差,其严重后果是钢板发生上翘或下扣,钢板无法正常输送;表层和芯部的温度差,使钢板表层产生过度冷却发生淬火,影响钢板的室温组织和力学性能。（1）上下表面对称冷却。钢板上下表面合理的冷却水流量及其比例,是保证钢板厚度方向对称冷却、及钢板平直度的关键。合理的上、下流量比受冷却水密度(或流量)、钢板厚度以及采用的冷却器类型等诸多因素的影响,需要根据具体控冷设备的控冷工艺调试得到。研究表明:上下水量比至少应大于1.5。图2为某冷却装置的钢板上下面冷却水比的范围、上表面水流量以及钢板板型的关系图。

可以看出,对应该试验钢板在上表面水流量为3000～6000m3/h、上下表面水量比为1.5～2.0时可以获得良好的板型。（2）表层和芯部的温度差。在控制冷却过程中,这种温度差是不可避免的,关键在于它对钢板的组织和性能是否产生了不良影响。对淬透性强、要求快速冷却的钢板,应该尽量减少表面和芯部的温度差。采取间断冷却、降低水量(水流密度)等控制冷却策略,可以降低冷却速度,有效减少厚度方向的温度梯度,控制温差。

三、轧板厂控制冷却钢板的板形控制技术实践

如某轧板厂轧后控冷系统系高密度管层流冷却装备,是北京科技大学高效轧制国家工程研究中心结合轧板厂实际,改进而成的。该冷却高密度管层流冷却装置采用一些新的技术。

1.控制钢板横向变形及温度均匀性。(1)采用入水管上阶梯开孔方式及三级节流阻尼措施,确保集管末端的出口流速在要求的范围内,使集管全长上水压均匀,从而保证U型管的水流均匀。(2)上集管采用圆桶接水法固定水量两级调整开水方式;下集管流量调整通过三次方曲线进行调整,保证横向水流均匀达到钢板冷却均匀。(3)采用U形管横向布置“一直线”技术,保证钢板横向冷却的等时控制，(4)强有力的侧喷吹扫装置使浇到轧件上的层流水能够快速吹离板面。

2.控制钢板的厚向变形。(1)采用“热流和水流耦合和解耦计算机模拟和物理调试”技术,保证上下水比的准确选择。(2)通过改变下喷嘴的喷射角度以增加水流在钢板下表面的停留时间以及增加钢板下表面的喷水量,提高下表面冷却能力。

3.控制钢板的纵向温度均匀性。(1)采用计算机实现钢板“头尾冷却避让”技

术,实现钢板头尾部的均匀冷却。(2)控冷过程实现带自学习的数学模型控制,优化控冷辊道速度选择,提高钢板冷却的纵向温度均匀性。

4.轧板厂的应用效果。该轧板厂应用了控冷系统以来,经过将近1年时间的不断调整和完善,不断的摸索对应不同种类和不同厚度的钢板的上下水比的配置、头尾冷却避让等等。对于不同的钢板状况,采用不同的头尾避让长度,对应每块钢板头尾温度的差异,设定不同的开闭水时间和水量。定期检修各个阀门和管道,确保各个阀门控制到位,管道通畅水流均匀。通过以上措施现在某轧板厂提高了一次矫直板形成功率,因板形瓢曲送冷矫直机工序进行矫直的钢板有了一定量的减少,2016年中等厚度瓢曲发生量占总轧制产量的7.5%，2017年中等厚度前6个月瓢曲发生量降到总轧制产量的4.5%；随着对控冷系统各个技术的理解,加深和操作过程的纯熟运用,板形控制的效果越来越明显。

综上所述，轧板厂的控冷系统在充分的理论研究及大量的模拟和现场试验的基础上具备了控制中厚板板型能力。控制冷却系统采用的边部屏蔽和下水管阻尼等技术,是国际先进的控冷工艺及钢板板型控制技术。

参考文献

[1]李雨.热轧带钢在冷却过程中的内应力解析[J].钢铁,2017,35(6):33～40.

[3]丁建.中厚板控制冷却过程温度均匀性的研究[D].沈阳:东北大学,2017